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HAL Id: tel-01669003 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01669003 Submitted on 20 Dec 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Étude numérique et expérimentale d’un cycle de Rankine-Hirn de faible puissance pour la récupération d’énergie Quentin Danel To cite this version: Quentin Danel. Étude numérique et expérimentale d’un cycle de Rankine-Hirn de faible puissance pour la récupération d’énergie. Chimie-Physique [physics.chem-ph]. Conservatoire national des arts et metiers - CNAM, 2016. Français. NNT : 2016CNAM1091. tel-01669003 R´ esum´ e Ce travail de recherche est motiv´ e par les contraintes environnementales qui imposent une r´ eduction des ´ emissions de gaz ` a eﬀet de serre. L’objectif de cette th` ese est d’explorer les possibilit´ es de r´ eduction de consommation des moteurs ` a combustion interne en les munissant d’un dispositif de r´ ecup´ eration de chaleur. Cette ´ etude est focalis´ ee sur la valo- risation des rejets thermiques d’installations de faible puissance. Le cycle de Rankine est la technologie qui a ´ et´ e s´ electionn´ ee. Une installation d’essais a ´ et´ e construite. Un g´ en´ erateur de gaz chaud simule le moteur thermique ; une part de cette chaleur est collect´ ee par le syst` eme de r´ ecup´ eration de chaleur et partiellement convertie en ´ energie m´ ecanique. L’´ echangeur de chaleur a ´ et´ e con¸ cu et construit en interne ainsi que la machine de d´ etente ` a piston. Un mod` ele num´ erique statique valid´ e exp´ erimentalement pour l’´ evaporateur a ´ et´ e d´ evelopp´ e. Celui-ci permet d’explorer les performances du cycle de Rankine sur un large champ de fonctionnement. Avec des hypoth` eses restrictives le mod` ele num´ erique fait apparaˆ ıtre qu’un gain de consommation de l’ordre de 3 % ` a 4 % sur un tracteur agricole serait possible. Un mod` ele dynamique de moteur ` a piston adapt´ e aux cycles de Rankine de faibles puissances a ´ et´ e d´ evelopp´ e pour aider ` a son dimensionnement. Ce mod` ele a permis de mettre au point un concept de machine de d´ etente ` a piston avec un m´ ecanisme de distribution simpliﬁ´ e. Bien qu’oﬀrant des performances en retrait sur les machines de d´ etente ` a piston ` a distribution command´ ee ce concept est ` a approfondir pour les syst` emes de faible puissance n´ ecessitant une simplicit´ e de construction et un faible coˆ ut. Mots cl´ es : R´ ecup´ eration de chaleur ; Cycle de Rankine ; Optimisation thermodyna- mique ; Machine de d´ etente 3 4 Abstract This research was motivated by environmental constraints which impose a reduction in greenhouse gas emissions. The aim of the thesis was to explore the possibility of reducing the consumption of an internal combustion engine using a bottom waste heat recovery system. The study focused on waste heat recovery for low power installations. The Rankine cycle technology was selected to exploit the heat source. An experimental test bench was designed and set up. A hot gas generator simulates an internal combustion engine. Part of the thermal power is absorbed by the evaporator and partially converted into mechanical power. The heat exchanger and piston expander were designed and built in-house. A numerical static model with experimental validation of the evaporator was developed. The model was used to explore the performances of the Rankine cycle over a large operating range. Under restrictive hypotheses, the numerical model showed that is possible to reduce the consumption of a tractor by about 3 to 4 %. A piston expander dynamic model was developed to assist in sizing the expander. The model was used to deﬁne a piston expander concept with a simple distribution mechanism. Although a classical distribution mechanism oﬀers better performances, this concept is promising for systems that are simple, small- scale and low-cost. Keywords : Waste heat recovery ; Rankine cycle ; Thermodynamical optimisation ; Expander 5 6 Remerciements Je tiens ` a remercier en premier lieu ma directrice de th` ese Christelle P´ erilhon pour son aide et ses conseils, de mˆ eme mon co-directeur Pierre Podevin pour son aide au plan exp´ erimental et sa pr´ esence. Je remercie tout particuli` erement Georges Descombes qui a ´ et´ e mon directeur les deux premi` eres ann´ ees de th` ese et pour m’avoir fait conﬁance en me recrutant. Je remercie les professeurs Pascal Chesse et Vincent Lemort d’avoir accept´ es d’ˆ etre rapporteur de cette th` ese. Je remercie ´ egalement les professeurs Farid Bakir et Michel Feidt ainsi que M. Plamen Punov d’avoir accept´ e d’en ˆ etre les examinateurs. Je remercie Arnaud Mucherie Pour ses conseils et son assistance dans la r´ ealisation de mon banc d’essais. Je remercie St´ ephanie Lacour pour ses conseils, ainsi qu’Am´ elie Danlos pour son aide au cours de ces trois ann´ ees de th` ese. Je remercie ´ egalement ma compagne Marion pour son soutient durant ces trois ann´ ees ainsi que ses parents Dominique et Michel Brunet pour m’avoir h´ eberg´ e et consid´ erablement facilit´ e le quotidien. 8 Table des mati` eres Introduction 26 1 ´ Etat de l’art 27 1.1 La r´ ecup´ eration de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.1.1 Thermo´ electricit´ e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.1.2 Cycle de Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.1.3 Cycle d’Ericsson et cycle de Brayton-Joule . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2 Cycles ` a vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3 Technologie des cycles de Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 1.3.1 Pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 1.3.2 ´ Echangeur de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 1.4 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2 Installation exp´ erimentale 57 2.1 Moyens d’essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1.1 G´ en´ erateur de gaz chaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1.2 ´ Evaporateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.3 Machine de d´ etente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.1.4 Pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.1.5 Condenseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 9 TABLE DES MATI` ERES 2.2 Moyens de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.2.1 Acquisition des donn´ ees . . . uploads/Science et Technologie/ danelquentin.pdf